一种大型结构体转动惯量测量系统

摘要

本发明公开了一种大型结构体转动惯量测量系统，包括底板，所述底板上安装有y向测量系统或x向测量系统。本发明的系统可使被测产品x向与y向转动惯量的测量分开进行，实现在同一测试台不对被测件翻转前提下完成x向、y向两个方向的测量；本发明采用轴承组件与滚子轴承相结合的滚动支撑方式，极大降低了系统阻尼影响，提高了系统测量精度；本发明通用性强，可对不同形状、不同规格的大型结构体进行测量，测量精度高、测试范围宽、设备成本低、维修方便。

说明书

技术领域

本发明涉及机械装置及运输技术领域,特别是一种大型结构体转 动惯量测量系统。

背景技术

转动惯量是刚体转动时惯性的度量，凡是涉及到转动动力学的 问题，转动惯量均为重点测量参数。在国防工业中，各种导弹、无人 飞行器以及水下无人航行器均需要测量其极、赤道转动惯量，用以确 定它们的起始扰动和行进稳定性；

在已有关于转动惯量测量的参考文献及专利中，遵循的基本原理 均为：利用弹性元件组成振荡系统，通过系统振荡频率来推算转动惯 量。主要的测量方法为：复摆法、扭摆法、三线摆法、单线摆法和落 体法等。但由于受到机械结构设计和被测物体形状差异的限制，针对 大型结构体的测量方法较少。文献《大型回转体转动惯量测量系统的 设计》给出了一种较为先进的针对大型物体的测量系统，但该系统固 定机构采用滚珠支撑，即为点接触，当被测件质量较大时，系统阻尼 极大，另外，当被测件表面较为粗糙时，点接触会导致较大阻尼波动， 均会对系统测量精度带来很大影响。同时，该系统仅针对质量分布均 匀、形状单一的大型回转体，而对于形状差异较大、质量分布不均的 产品，该系统无法予以测量。即对于形状为非单一回转体的导弹、无 人飞机、水下无人航行器等物体的转动惯量测量，该系统不再适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种结 构简单，易操作，测量精度高、适用范围广的大型结构体转动惯量测 量系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型结 构体转动惯量测量系统，包括底板，其结构特征是：

当用于测量大型结构体y向转动惯量时，所述底板上安装有y向 测量系统；所述y向测量系统包括固定在底板上的用于为被测结构体 提供y向扭力矩的y向转筒组件，所述y向转筒组件上端固定有支承 板，所述支承板上水平设置有两根平行导轨，每根导轨上安装有一个 以上可沿所述导轨滑动的滑块，两根平行导轨相对位置上的y向测量 滑块为一组，每组y向测量滑块上固定有一个用于固定被测结构体的 固定机构；所述支承板上设置有用于测量所述y向测量滑块滑动距离 的光栅尺；所述支承板下表面固定有y向测量光电头；所述底板上固 定有与所述y向测量光电头配套的y向测量感光器；

当用于测量大型结构体x向转动惯量时，所述底板上安装有x向 测量系统；所述x向测量系统包括两根平行设置在所述底板一端的x 向测量水平导轨；所述两根x向测量水平导轨上各设置有一个以上可 沿所述x向测量水平导轨滑动的x向测量滑块；两根x向测量水平导 轨相对位置上的x向测量滑块为一组，每组x向测量滑块上固定有一 个支撑架；所述支撑架顶端与用于为所述被测结构体提供x向扭力矩 的x向扭转组件一端固定连接；所述x向扭转组件另一端与所述被测 结构体一端连接；所述x向扭转组件下表面固定有x向测量光电头， 所述x向测量水平导轨一端的底板上固定有与所述x向测量光电头配 套的x向测量感光器。

所述支承板下表面开设有环形槽；所述y向转筒组件包括固定竖 直设置的y向转筒，所述y向转筒底端直径小于所述y向转筒上端直 径，所述y向转筒上端嵌入所述环形槽，所述y向转筒底端通过连接 环与所述底板连接；所述y向转筒内竖直设有y向扭杆，所述y向扭 杆上端与所述环形槽内的支承板下表面固定连接，所述y向扭杆下端 穿过所述连接环与所述底板固定连接；所述y向转筒外套有底端固定 在所述底板上的防护筒；所述防护筒上端、y向转筒上端相对位置分 别设有凹槽和凸台，所述凹槽内设置有y向测量滚子轴承，且所述y 向测量滚子轴承与所述凸台上表面贴合；所述y向转筒底端直径较小 部分与该部分上的y向转筒之间形成的凹台放置在所述连接环上的 推力球轴承上；所述防护筒底端内侧凸起，该凸起部分与所述推力球 轴承接触。

所述x向扭转组件包括一端开口的x向固定筒、x向转筒；所述 x向固定筒通过连接块与所述支撑架顶端固定连接；所述x向固定筒 远离被测结构体的未开口端底面内壁与x向扭杆一端固定连接；所述 x向转筒一端直径小于另一端直径；所述x向固定筒靠近被测结构体 的一端通过x向滚子轴承套在所述x向转筒直径较小的一端上；所述 x向扭杆靠近被测结构体的一端穿过所述x向转筒直径较小一端并固 定；所述x向转筒远离所述x向固定筒的一端通过连接环与所述被测 结构体固定连接。

所述y向测量系统包括两个固定机构；所述固定机构包括上固定 环，所述上固定环内壁通过多个等间隔布置的轴承组件与转动卡环外 壁接触，且所述转动卡环能以穿过所述转动卡环圆心且与所述转动卡 环所在平面垂直的轴为中心旋转；所述上固定环、转动卡环同心；所 述转动卡环内径与所述被测结构体外径大小匹配；所述外固定环通过 底座与所述y向测量滑块固定连接。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明结构简单， 易操作，适用于大型结构体转动惯量的测量；被测产品x向与y向转 动惯量的测量分开进行，实现在同一测试台不对被测件翻转前提下完 成x向、y向两个方向的测量；本发明采用轴承组件与滚子轴承相结 合的支撑方式，极大降低了系统阻尼影响，提高了系统测量精度；本 发明通用性强，可通过更换不同固定机构与x向转筒来实现对不同形 状的大型产品测量；且对产品进行测量时，仅需调节相应紧固螺栓便 可实现产品的定位与固定，操作方便，简单；本发明摒弃了现有技术 热衷的复杂自动化设备，极大降低了设备费用；光电头和感光器拆卸 方便，能独立进行标定；本发明测量精度高、测试范围宽、设备成本 低、维修方便；本发明能广泛适用于航天、航空、航海、兵器、机械、 电机以及生物力学等科研、生产领域，具有很大的实用价值。

附图说明

图1为本发明一实施例结构示意图；

图2为本发明一实施例y向转筒组件结构示意图；

图3为本发明一实施例x向扭转组件结构示意图；

图4为本发明一实施例固定结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括底板11，当用于测量大型结 构体y向转动惯量时，所述底板11上安装有y向测量系统；所述y 向测量系统包括固定在底板11上的用于为被测结构体5提供y向扭 力矩的y向转筒组件，所述y向转筒组件上端固定有支承板9，所述 支承板9上水平设置有两根平行导轨6，每根导轨6上安装有一个以 上可沿所述导轨6滑动的滑块7，两根平行导轨6相对位置上的y向 测量滑块7为一组，每组y向测量滑块7上固定有一个用于固定被测 结构体5的固定机构；所述支承板9上设置有用于测量所述y向测量 滑块7滑动距离的光栅尺；所述支承板9下表面固定有y向测量光电 头8；所述底板11上固定有与所述y向测量光电头配套的y向测量 感光器10；当用于测量大型结构体x向转动惯量时，所述底板11上 安装有x向测量系统；所述x向测量系统包括两根平行设置在所述底 板11一端的x向测量水平导轨15；所述两根x向测量水平导轨15 上各设置有一个以上可沿所述x向测量水平导轨15滑动的x向测量 滑块14；两根x向测量水平导轨15相对位置上的x向测量滑块14 为一组，每组x向测量滑块14上固定有一个支撑架1；所述支撑架1 顶端与用于为所述被测结构体5提供x向扭力矩的x向扭转组件一端 固定连接；所述x向扭转组件另一端与所述被测结构体5一端连接； 所述x向扭转组件下表面固定有x向测量光电头2，所述x向测量水 平导轨15一端的底板11上固定有与所述x向测量光电头2配套的x 向测量感光器13。

如图2，支承板9下表面开设有环形槽；所述y向转筒组件包括 固定竖直设置的y向转筒18，所述y向转筒18底端直径小于所述y 向转筒18上端直径，所述y向转筒18上端嵌入所述环形槽，所述y 向转筒18底端通过连接环20与所述底板11连接；所述y向转筒18 内竖直设有y向扭杆19，所述y向扭杆19上端与所述环形槽内的支 承板9下表面固定连接，所述y向扭杆19下端穿过所述连接环22与 所述底板11固定连接；所述y向转筒18外套有底端固定在所述底板 11上的防护筒21；所述防护筒21上端、y向转筒18上端相对位置 分别设有凹槽和凸台12，所述凹槽内设置有y向测量滚子轴承16， 且所述y向测量滚子轴承16与所述凸台12上表面贴合；所述y向转 筒18底端直径较小部分与该部分上的y向转筒18之间形成的凹台放 置在所述连接环22上的推力球轴承22上；所述防护筒21底端内侧 凸起，该凸起部分与所述推力球轴承22接触。

如图3，x向扭转组件包括与所述支撑架1顶端固定连接的一端 开口的x向固定筒24、x向转筒26；所述x向固定筒24通过连接块 29与所述支撑架1顶端固定连接；所述x向固定筒24远离被测结构 体5的未开口端底面内壁与x向扭杆23一端固定连接；所述x向转 筒26一端直径小于另一端直径；所述x向固定筒24靠近被测结构体 5的一端通过x向滚子轴承25套在所述x向转筒26直径较小的一端 上；所述x向扭杆23靠近被测结构体5的一端穿过所述x向转筒26 直径较小一端并固定；所述x向转筒26远离所述x向固定筒24的一 端通过连接环27与所述被测结构体5固定连接。

如图4，y向测量系统包括两个固定机构；所述固定机构包括外 固定环32，所述外固定环32内壁通过多个等间隔布置的轴承组件31 与转动卡环33外壁接触，且所述转动卡环33能以穿过所述转动卡环 33圆心且与所述转动卡环33所在平面垂直的轴为中心旋转；所述外 固定环32、转动卡环33同心；所述转动卡环33内径与所述被测结 构体5外径大小匹配；所述外固定环32通过底座34与所述y向测量 滑块7固定连接。转动卡环33外壁开设了凹槽，轴承组件31上的轴 承35与凹槽接触，转动卡环可以相对轴承35转动。

被测结构体5放置于转动卡环33内，调整紧固螺栓30，使其与 被测结构体5贴合并固定；通过更换轴承组件31和转动卡环33以适 应不同尺寸大小的被测结构体，沿导轨6移动y向测量滑块滑块7， 从而改变被测结构体5在支承板9上的位置。

y向扭杆19螺接固定于支承板9下表面中心，y向扭杆19下端 成十字键，插入下底板11中间部位的十字槽。测量时，y向扭杆19 受十字槽的限制，提供扭摆扭矩，y向转筒18支撑支承板9绕y轴 转动。

x向转筒26直径较小的一端为内部带螺纹孔的台阶轴，x向扭杆 23两端加工螺纹，滚子轴承25内圈套在x向转筒台阶轴上，滚子轴 承25外圈设置在x向固定筒24靠近被测结构体5一端的台阶上；x 向固定筒24远离被测结构体5一端设一螺纹通孔，与x向扭杆23螺 接并通过螺母固定，通过改变更换x向转筒26和转接环28，并改变 x向测量滑块在x向测量水平导轨上的位置，适应不同尺寸规格的被 测结构件。

利用本发明装置进行转动惯量测量的过程如下：

为保证被测件测量结果可靠，需准备一标准件，对于形状规则、 质量均匀分布的标准件，可通过理论计算很好确定其质心位置和转动 惯量，设系统空载转动惯量、标准件转动惯量、系统与被测件总的转 动惯量分别为：I₀、I_b、I_d2；空载阻尼振荡频率、系统与标准件总的 阻尼振荡频率、系统与被测件总的阻尼振荡频率分别为：ω_d0、ω_d1、ω_d2， 则系统自由扭摆振荡方程可描述为：

$I_0\stackrel{··}{\theta }+c\stackrel{·}{\theta }+\mathrm{k\theta }=0$

式中：θ为扭摆角度；c为阻尼系数；k为扭杆刚度系数。

令$\frac{c}{I_0}=2\zeta ,\frac{k}{I_0}={{\omega }_{n0}}^2$

式中：ω_n0为系统固有频率，ζ为系统阻尼。

可以得到：

${\omega }_{d0}=\sqrt{{{\omega }_{n0}}^2-{\xi }^2}$

上式即为系统阻尼振荡频率方程。本发明一种大型结构体转动惯 量测量系统扭摆为阻尼振荡，支撑转动组件采用轴承组件与滚子轴承 结合方式，极大降低了系统阻尼影响，对本发明阻尼影响进行分析可 知，本发明阻尼影响小，系统测试精度高，推导可以得到：

$I_0=\frac{I_b}{{\left(\frac{{\omega }_{d0}}{{\omega }_{d1}}\right)}^2-1}$

$I=I_b\frac{{\left(\frac{{\omega }_{d0}}{{\omega }_{d2}}\right)}^2-1}{{\left(\frac{{\omega }_{d0}}{{\omega }_{d1}}\right)}^2-1}$

上式中I即为被测件转动惯量。

标准件测量步骤为：

(1)：工装准备，将导轨6与y向测量滑块7配合并固定于支承板 9上，固定机构底座与y向测量滑块7螺接固定，调整好相对位 置，将轴承组件安装于外固定环内；将y向转筒组件按照装配关 系进行装配并保证部件的同轴性；将y向转筒组件分别与上支承 板和底板固定连接；安装好y向测量光电头与y向测量感光器；

(2)标准件安装，将标准件放入转动卡环，然后将转动卡环连同标 准件放置于轴承组件上；调整紧固螺栓，使螺栓与标准件接触， 改变紧固螺栓的相对位置，使标准件对称、稳定的固定于支承板； 标定标准件质心，移动滑块，使质心与O点重合；

(3)标定y向测量光电头与y向测量感光器，控制仪、工控机就绪；

(4)将标准件绕y轴转动一定角度然后释放，y向测量光电头与y 向测量感光器记录相关数据并传给工控机，工控机后台进行处理 并得出其y向阻尼振荡频率ω_b1；为保证获得较为准确的测量数 据，标准件的旋转角度应大于5°，同时保证y向扭杆不发生断 裂，具体旋转角度视标准件尺寸大小与y向扭杆强度而定；

(5)将x向扭转组件进行组装，x向转筒从标准件头部套入，调节 固定螺栓，使x向转筒与标准件同轴；

(6)标定x向光电传感器，并将标准件绕x轴旋转一定角度然后释 放，光电传感器记录相关数据并传给工控机，工控机后台进行处 理并得出其x向阻尼振荡频率ω_d1；

(7)将标准件取下，测量系统空载时的y向阻尼振荡频率ω_b0，x 向阻尼振荡频率ω_d0；并将以上测得数据储存于工控机，以后测 量直接调用。

当被测结构体为非对称结构时，紧固螺栓沿圆周为非对称调整， 即紧固螺栓给系统转动惯量测量会带来误差；但紧固螺栓质量分布导 致转动惯量变化的量相对被测件的转动惯量值是极小的，因此其影响 可忽略不计。对于质心位置无法确定的物体，采用平移方法进行测量， 利用平行轴移动原理有：

I_y+mr²=I₁

式中，I_y物体关于质心轴的转动惯量，r为转轴与质心轴的垂直 距离，I₁为物体关于转轴的转动惯量。

被测结构体转动惯量测量步骤如下：。

(1)被测结构体安装，参照前述步骤一、步骤二、步骤三、步骤五 和步骤六，将被测结构体安装于测量平台，并标定好光电传感器 （即光电头和感光器）；

(2)将结构体绕系统x轴旋转一定角度，测得系统与结构体总的x 向振荡频率ω_x1；调整紧固螺栓，改变被测结构体在yoz平面的位 置，记录任意两点的位置，要求这两点与初始点三点不在一条直 线上，测量其对应的振荡频率，通过计算，可确定结构体过质心 的x轴，并得到结构体绕该轴的转动惯量I_x；

(3)撤掉x轴扭转组件，调整被测结构体，使系统y轴与定义的 结构体y轴平行，并使系统x轴与步骤2确定的x轴重合，将被 测结构体绕y轴旋转一定角度，测得其振荡频率ω_y1；调整紧固螺 栓，沿x轴改变被测结构体位置，记录下距离x₁，按前述步骤测 得振荡频率ω_y2；通过计算，可确定结构体过质心的y轴，并得到 结构体绕该轴的转动惯量I_y；

(4)调整结构体，使系统y轴与步骤3确定y轴重合，将转动卡环 绕x轴旋转90°，按前述步骤可测得结构体绕z轴转动惯量I_z。